激光热处理X80管线钢焊接接头残余应力的预测方法与流程

本发明涉及一种激光热处理x80管线钢焊接接头残余应力的预测方法，属于力学领域。

背景技术：

管线钢是用于输送石油、天然气等管道所用的一类具有特殊要求的钢种，而管线钢焊接接头部位存在组织不均，晶粒粗大等缺点，为最薄弱的部位；激光热处理可使金属表面的耐磨性、耐腐蚀性、组织性能以及力学性能都得到显著提高。

目前，测量残余应力的方法主要有盲孔法和射线衍射法。盲孔法在钻孔时会产生加工应变，影响到残余应力的测量精度。而射线法由于射线穿透度较小，只能测量材料表面的残余应力。且这些方法需要专门的试验设备，而这些专门的实验设备通常使用成本较高，因此给测量残余应力的工作带来了极大的不便。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在技术问题，本发明提出了一种激光热处理x80管线钢焊接接头残余应力的预测方法，分析效率高、准确性较高。

本发明中主要采用的技术方案为：

一种激光热处理x80管线钢焊接接头残余应力的预测方法，包括以下步骤：

步骤1：确定激光热处理条件；

步骤2：根据实际焊接时焊缝的填充层数、尺寸，以及激光热处理的扫略轨迹，创建焊接接头激光热处理实体模型，定义材料属性并采用扫掠方式对网格进行划分；

步骤3：设置模型初始温度为20℃，对流、辐射、相变潜热参数；同时根据激光热处理特点在sysweld软件中编写激光热处理使用的热源模型并设置热源模型参数；

步骤4：根据实际工况施加对激光热处理温度场的求解约束及载荷；

步骤5：定义材料热物理性能和力学性能参数，包括不同方向的热导率、不同方向的线膨胀系数、弹性模量、泊松比、屈服强度和应变硬化模量，利用sysweld数值模拟软件进行应力场有限元分析。

优选地，所述步骤1中激光热处理条件包括激光功率、光斑直径、光斑搭接率、扫描速度和扫描路线等。

优选地，所述步骤3中热源模型，利用fortran语言在软件中编写适合焊接接头激光热处理所用2d激光面热源模型，激光光束作用于垂直于传播方向的平面上的能量分布方程如式(1)所示。并根据光斑直径、金属材质、激光硬化区深度确定热源模型参数；

公式中，p为激光入射到金属表面的功率；r为金属表面对激光的发射率；k为激光光斑半径修正系数；ω0为激光光斑半径。

有益效果：本发明提供一种激光热处理x80管线钢焊接接头残余应力的预测方法，可通过调节不同的激光热处理工艺参数来对比产生的结果，从而为实际激光热处理参数选择提供依据，以最大限度节省了人力物力，还可以了解激光热处理焊接接头上残余应力的连续分布规律。

附图说明

图1激光热处理焊接接头残余应力分析方法流程图；

图2实施案例1温度场云图；

图3实施案例2温度场云图；

图4实施案例3温度场云图；

图5激光热处理前后垂直焊缝方向的横向应力；

图6激光热处理前后平行焊缝方向的横向应力；

图7激光热处理前后垂直焊缝方向的纵向应力；

图8激光热处理前后平行焊缝方向的纵向应力；

图9激光热处理前后垂直焊缝方向的等效应力；

图10激光热处理前后平行焊缝方向的等效应力。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，一种激光热处理x80管线钢焊接接头残余应力的预测方法，包括以下步骤：

步骤1：确定激光热处理条件；

步骤2：根据实际焊接时焊缝的填充层数、尺寸，以及激光热处理的扫略轨迹，创建焊接接头激光热处理实体模型，定义材料属性并采用扫掠方式对网格进行划分；

步骤3：设置模型初始温度为20℃，对流、辐射、相变潜热参数；同时根据激光热处理特点在sysweld软件中编写激光热处理使用的热源模型并设置热源模型参数；

步骤4：根据实际工况施加对激光热处理温度场的求解约束及载荷；

步骤5：定义材料热物理性能和力学性能参数，包括不同方向的热导率、不同方向的线膨胀系数、弹性模量、泊松比、屈服强度和应变硬化模量，利用sysweld数值模拟软件进行应力场有限元分析。

优选地，所述步骤1中激光热处理条件包括激光功率、光斑直径、光斑搭接率、扫描速度和扫描路线。

优选地，所述步骤3中热源模型，利用fortran语言在软件中编写适合焊接接头激光热处理所用2d激光面热源模型，激光光束作用于垂直于传播方向的平面上的能量分布方程如式(1)所示。并根据光斑直径、金属材质、激光硬化区深度确定热源模型参数；

公式中，p为激光入射到金属表面的功率；r为金属表面对激光的发射率；k为激光光斑半径修正系数；ω0为激光光斑半径。

实施案例1

步骤1：确定激光热处理条件，其中，激光热处理的激光光斑直径为5mm，光斑搭接率的参数为0.5～1mm，激光扫描速度为12mm/s，激光功率为1000w；

步骤2：根据实际焊接时焊缝的填充层数、尺寸，以及激光热处理的扫略轨迹，创建焊接接头激光热处理实体模型，定义材料属性并采用扫掠方式对网格进行划分，总体符合距离焊缝越远网格尺寸越大原则；

步骤3：设置模型初始温度为20℃，对流、辐射、相变潜热参数；同时根据激光热处理特点在sysweld软件中编写激光热处理使用的热源模型并设置热源模型参数；

步骤4：根据实际工况施加对激光热处理温度场的求解约束及载荷；

步骤5：定义材料热物理性能参数，包括不同方向的热导率、不同方向的线膨胀系数、弹性模量、泊松比、屈服强度、应变硬化模量，利用sysweld数值模拟软件进行应力场有限元分析。

实施例2

步骤1：激光热处理的激光光斑直径为5mm，光斑搭接参数为0.5～1mm，激光扫描速度为12mm/s，激光功率为1200w；

步骤2：根据实际焊接时焊缝的填充层数、尺寸，以及激光热处理的扫略轨迹，创建焊接接头激光热处理实体模型，定义材料属性并采用扫掠方式对网格进行划分，总体符合距离焊缝越远网格尺寸越大原则；

步骤3：设置模型初始温度为20℃，对流、辐射、相变潜热参数；同时根据激光热处理特点在sysweld软件中编写激光热处理使用的热源模型并设置热源模型参数；

步骤4：根据实际工况施加对激光热处理温度场的求解约束及载荷；

步骤5：定义材料热物理性能和力学性能参数，包括不同方向的热导率、不同方向的线膨胀系数、弹性模量、泊松比、屈服强度、应变硬化模量，利用sysweld数值模拟软件进行应力场有限元分析。

实施例3

步骤1：激光热处理的激光光斑直径为5mm，光斑搭接参数为0.5～1mm，激光扫描速度为12mm/s，激光功率为1400w；

步骤2：根据实际焊接时焊缝的填充层数、尺寸，以及激光热处理的扫略轨迹，创建焊接接头激光热处理实体模型，定义材料属性并采用扫掠方式对网格进行划分，总体符合距离焊缝越远网格尺寸越大原则；

步骤3：设置模型初始温度为20℃，对流、辐射、相变潜热参数；同时根据激光热处理特点在sysweld软件中编写激光热处理使用的热源模型并设置热源模型参数；

步骤4：根据实际工况施加对激光热处理温度场的求解约束及载荷；

步骤5：定义材料热物理性能和力学性能参数，包括不同方向的热导率、不同方向的线膨胀系数、弹性模量、泊松比、屈服强度、应变硬化模量，利用sysweld数值模拟软件进行应力场有限元分析。

上述三个实施例都是针对x80管线钢焊接接头的，仅激光热处理条件。

如图2～4所示，分别为实施案例1、2、3的温度场云图，其中，图2为功率1000w激光热处理温度场，从图中可以看出激光照射区峰值温度为793℃，由于峰值温度较低，焊接接头表面极少部分组织向马氏体转变，而大部分基体组织仍为铁素体，并且晶粒发生了长大；图3为功率1200w激光热处理温度场，其激光区峰值温度达到974℃，达到了淬火条件，可以提升焊接接头及母材的组织性能；图4为功率1400w激光热处理温度场，其激光区峰值温度为1213℃，激光功率1400w会导致温度过高使表面组织发生重结晶，且晶粒长大，使组织性能有所降低。

如图5～7所示，分别为所述激光热处理沿焊缝不同方向的各应力，从图中可以发现经过激光热处理后的x80管线钢表面残余应力均得到不同幅度的增加，且随着激光功率的增加，各个残余应力也相应增加；从图中还可以看出靠近激光加热区的节点残余应力虽然也有所增加，但是增加幅度很小，说明激光热处理只会增加激光扫面区域的残余应力，基本不会影响其他区域的应力变化。为实际选择激光热处理焊接接头工艺参数提供依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。